印度物理學(xué)家拉曼于1928年用水銀燈照射苯液體，發(fā)現(xiàn)了新的輻射譜線：

在入射光頻率ω0的兩邊出現(xiàn)呈對稱分布的，頻率為ω0-ω和ω0 ω的明銳邊帶，這是屬于一種新的分子輻射，稱為拉曼散射，其中ω是介質(zhì)的元激發(fā)頻率。

拉曼因發(fā)現(xiàn)這一新的分子輻射和所取得的許多光散射研究成果而獲得了1930年諾貝爾物理獎。

與此同時，前蘇聯(lián)蘭茨堡格和曼德爾斯塔報導(dǎo)在石英晶體中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，即由光學(xué)聲子引起的拉曼散射，稱之謂并合散射。

我們來做個更為詳細的解釋：

當來自光源的高強度入射光被試樣分子散射后，大多數(shù)散射光與入射激光具有相同的波長(或顏色)，這種散射稱為瑞利散射。然而，還有極小一部分(大約占1/107散射光的波長(或顏色)發(fā)生了改變，其波長的變化由試樣分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)所決定，這部分散射光稱為拉曼散射。

拉曼散射(右下\紅色)和瑞利散射(右上\綠色)

拉曼譜圖通常由一定數(shù)量的拉曼峰構(gòu)成，每個拉曼峰代表了相應(yīng)的拉曼散射光的波長位置和強度。

每個譜峰對應(yīng)于一種特定的分子鍵振動，其中既包括單一的化學(xué)鍵，例如C-C, C=C, N-O, C-H等；也包括由數(shù)個化學(xué)鍵組成的基團的振動，例如苯環(huán)的呼吸振動，多聚物長鏈的振動以及晶格振動等。

換句話說，拉曼光譜對于分子鍵合以及樣品分子的結(jié)構(gòu)非常敏感，每種分子或樣品都有其特定的拉曼光譜“指紋”。這些“指紋”可以用來進行化學(xué)鑒別、形態(tài)與相、內(nèi)壓力/應(yīng)力以及組成成分方面的研究。

從弱到強逆襲的拉曼

? 激光光源

法國羅卡特、卡本斯以及美國伍德證實了拉曼的觀察研究的結(jié)果。然而到1940年，拉曼光譜的地位一落千丈。主要是因為拉曼效應(yīng)太弱(約為入射光強的10-6)，人們難以觀測研究較弱的拉曼散射信號，更談不上測量研究二級以上的高階拉曼散射效應(yīng)。并要求被測樣品的體積必須足夠大、無色、無塵埃、無熒光等等。

所以到40年代中期，紅外技術(shù)的進步和商品化更使拉曼光譜的應(yīng)用一度衰落。1960年以后，紅寶石激光器的出現(xiàn)，使得拉曼散射的研究進入了一個全新的時期。由于激光器的單色性好，方向性強，功率密度高，用它作為激發(fā)光源，大大提高了激發(fā)效率。成為拉曼光譜的理想光源。

隨探測技術(shù)的改進和對被測樣品要求的降低，目前在物理、化學(xué)、醫(yī)藥、工業(yè)等各個領(lǐng)域拉曼光譜得到了廣泛的應(yīng)用，越來越受研究者的重視?，F(xiàn)代的拉曼均采用激光光源，許多情況下可以滿足測試需求。

? 增強技術(shù)

隨后出現(xiàn)的就是表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)，這讓拉曼逆襲成為高靈敏度儀器。

1974年，英國皇家學(xué)會院士M.Fleischmann團隊研究發(fā)現(xiàn)了吡啶吸附的粗糙銀電極的表面增強拉曼光譜(SERS)信號。表面增強拉曼散射(SERS)效應(yīng)是指在特殊制備的一些金屬良導(dǎo)體表面或溶膠中，在激發(fā)區(qū)域內(nèi)，由于樣品表面或近表面的電磁場的增強導(dǎo)致吸附分子的拉曼散射信號比普通拉曼散射(NRS)信號大大增強的現(xiàn)象。表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)克服了傳統(tǒng)拉曼光譜與生俱來的信號微弱的缺點，可以使得拉曼強度增大幾個數(shù)量級，其增強因子可以高達1014－1015倍，足以探測到單個分子的拉曼信號。但金、銀貴金屬限制了其的廣泛應(yīng)用。作為SERS創(chuàng)始人M. Fleischmann的弟子和繼承者，廈門大學(xué)田中群院士發(fā)現(xiàn)VIII B族過渡金屬元素具有弱的SERS效應(yīng)，系統(tǒng)發(fā)展了非傳統(tǒng)SERS 和電化學(xué)拉曼光譜實驗和理論方法，顯著拓展SERS 方法普適性，推進其應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。

目前，出現(xiàn)SERS現(xiàn)象的金屬材料分別是幣族金屬金、銀、銅；堿性金屬鋰、鈉、鉀；部分過渡金屬鐵、鈷、鎳。

發(fā)展SERS各種基底材料與SERS機理的研究均在進行，目前認為SERS有電磁場增強，化學(xué)相互作用，化學(xué)增強等多種機理。

SERS目前的難點是：

（1）大都采用貴金屬，造價高難普及；

（2）還不夠穩(wěn)定重現(xiàn)；

（3）難以做多目標檢測；

（4）金、銀、銅金屬尚需表面粗糙化處理之后才具有高SERS 活性，故表面科學(xué)界所常用的平滑單晶表面皆無法用SERS 研究。

針尖增強拉曼散射光譜(TERS)可以解決SERS的應(yīng)用受到材料，形態(tài)和分子通用性的限制。TERS采用尖銳的尖端，由Au或Ag組成或涂有Au或Ag。在一些情況下，Au或Ag納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)可以附著到AFM或SFM探針，尖端在合適的激發(fā)源激發(fā)下產(chǎn)生局部增強的電磁場。增強的電磁場可以將吸附的探針分子和表面的拉曼信號增強多達六個數(shù)量級。AFM和拉曼的聯(lián)用，同時也把空間分辨率大幅提高到亞納米級別。

? 物美價廉

另一項逆襲的重要原因就是物美價廉的便攜/手持拉曼的出現(xiàn)。

拉曼光譜的分類

拉曼光譜可分為四大類：便攜/手持拉曼；傅里葉拉曼；拉曼成像；在線拉曼。

其中，傅里葉拉曼雖然分辨率、測定適用性各項性能都挺好，好幾家都造出了傅里葉紅外拉曼一體機，但無奈其甘于中游，既沒有解決便攜和便宜的問題，也沒有解決最高端前沿的問題，因此市場越來越小。

傅里葉拉曼光路圖

便攜/手持拉曼是近年來發(fā)展最快的拉曼品種。

不怕水、透過包裝、貼近樣品快速測試的特性最早用于制藥業(yè)。由于結(jié)構(gòu)比較簡單，當時美國的企業(yè)尋找了中國的OEM/ODM企業(yè)，在市場快速增長的同時，中國也逐步掌握了便攜拉曼的核心技術(shù)。隨著價格的下降，國家安全領(lǐng)域大批采購便攜拉曼光譜儀，同時中國在SERS技術(shù)上的進步，又帶動了食品安全領(lǐng)域的廣泛采購。由于集成度非常高，很多科研單位的老師可以毫不費力地購買集成模塊的微型光譜儀，再買來激光源、拉曼探頭、采樣支架就可迅速組裝出一臺拉曼光譜儀，來針對各類樣品開發(fā)拉曼原位快速測量的應(yīng)用。

便攜拉曼光路圖

拉曼成像包括三種，分別是：

（1）單點成像的顯微微區(qū)拉曼；

（2）對某區(qū)域進行面成像的拉曼；

（3）共聚焦拉曼，可在XYZ方向觀測不同深度而成像。大多數(shù)拉曼成像的商品化儀器都是同光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的，一個樣本可得到多種成像譜。

拉曼光譜的優(yōu)點

首先從光譜的通性來看，樣品制備簡單或無需制備；不受樣品物質(zhì)形態(tài)的影響；對樣品無損傷；快速分析；維護成本低，使用簡單。其次，拉曼獨有的特點是：分辨率高，特異性好(這點同紅外類似)；適合水樣品；能夠透過玻璃、塑封袋直接檢測；使用SRERS后還可大幅提升靈敏度；和AFM聯(lián)用后使用TERS技術(shù)不僅提高靈敏度還提高空間分辨率到亞納米。便攜拉曼的普及使價格大幅下降。

島津RM-3000便攜式拉曼光譜儀

拉曼光譜的不足與改進

首先，普通拉曼信號弱，對深色樣品信號更弱(光大部分被吸收了)。

其次，由于均采用激光，對爆炸物分析不很友好，需降低激光能量，減少采集時間，當然會損害靈敏度。

第三，各廠家的譜圖不統(tǒng)一各家均用自建譜庫，SERS技術(shù)重現(xiàn)性目前還不高，給標準化帶來挑戰(zhàn)。

第四，熒光背景干擾是個難點。消除熒光干擾的方法包括：

（1）做樣前采用強光照射法破壞熒光分子。加入熒光淬滅劑使得熒光熄滅。利用拉曼和熒光產(chǎn)生的時間不同，使用高頻調(diào)制的激光信號來分離拉曼和熒光信號。

（2）紫外/近紅外激發(fā)法：大部分物質(zhì)熒光主要在可見區(qū)(300 nm~700 nm)，使用紫外拉曼(如244 nm激發(fā))或近紅外拉曼(785、830、1064 nm激發(fā))可有效避開熒光干擾，缺點是紫外光可能導(dǎo)致樣品分解，近紅外光熱效應(yīng)較強且檢測器成本高。

（3）移頻激發(fā)法：使用兩個頻率相近的激光先后照射樣品，拉曼譜峰頻率與激發(fā)光頻率同步變化，而熒光光譜對激發(fā)光頻率改變不敏感。因此將兩組光譜信號差分處理可消除熒光干擾，然后通過算法可以從差分光譜重構(gòu)出拉曼光譜。

賽默飛DXR? 3 智能拉曼光譜儀

中國拉曼光譜的市場潛力和蓬勃生機，吸引了眾多著名企業(yè)，如安捷倫、海洋光學(xué)、安東帕、凱撒光學(xué)、布魯克、島津、耶拿等，他們相繼推出了最新的拉曼光譜產(chǎn)品，憑借核心技術(shù)優(yōu)勢和跨國合作機會，占據(jù)了很大的市場份額。

為了打破進口儀器壟斷國內(nèi)市場的局面，國內(nèi)高校和科研機構(gòu)聯(lián)合生產(chǎn)企業(yè)，推動國產(chǎn)儀器發(fā)展，如清華大學(xué)、廈門大學(xué)、青島海洋所等都是產(chǎn)學(xué)研用的典范。國內(nèi)的同方威視、奧譜天成、如海光電、卓立漢光等企業(yè)，都開發(fā)出了頗具市場競爭力的特色產(chǎn)品。

總體來說，目前國內(nèi)廠家自主研發(fā)的小型拉曼光譜儀的硬件水平已媲美甚至超過進口品牌，但是在軟件、算法、譜圖庫的建設(shè)等方面，依然與國外存在一定的差距。

值得重點關(guān)注的是，我國首次制定并由國家市場監(jiān)督管理局和國家準備委員會共同頒布，福建省計量院、廈門大學(xué)等聯(lián)合同方威視、卓立漢光、奧譜天成、天美儀拓、如海光電、鑒知技術(shù)等十幾家企業(yè)共同起草的《GB/T 40219-2021 拉曼光譜儀通用規(guī)范》（2021年12月1日實施），對于我國拉曼市場的良性健康發(fā)展具有重要意義。GB/T 40219-2021對拉曼光譜儀器進行了嚴格規(guī)范，它將有助于拉曼光譜的生產(chǎn)、使用和市場推廣，推動行業(yè)的良性競爭。

但是，對于拉曼光譜儀目前及未來拓展的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用方向，目前的標準還不夠豐富全面，期待更多應(yīng)用標準出臺，為拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用“保駕護航”。